تحليل CFD لخليط تدفق المياه داخل أنابيب الكوع بوتويلد: مقارنة بين التصاميم ذات الحواف الحادة والعادية

مقدمة

تعتبر أنابيب الكوع مكونات مهمة في أنظمة الأنابيب, تمكين التغييرات الاتجاهية في تدفق السوائل. لكن, يؤثر تصميمها بشكل كبير على ديناميكيات التدفق, استهلاك الطاقة, والسلامة الهيكلية للنظام. تركز هذه الدراسة على ديناميات الموائع الحسابية (العقود مقابل الفروقات) تحليل تدفق المياه داخل نوعين من أنابيب الكوع الملحوم: واحد مع حواف حادة والآخر مع حواف عادية. الهدف هو مقارنة سلوك التدفق, توزيع الضغط, حجم السرعة, وخصائص الاضطراب في كلا التصميمين لتحديد أنبوب الكوع الأفضل أداءً.

تم إجراء التحليل باستخدام أ 2نموذج د تم إنشاؤها في سوليدووركس, تتشابك مع المناورة, ومحاكاة في أنسيس بطلاقة. مع الحفاظ على جميع الشروط متطابقة في كلتا الحالتين, توفر الدراسة مقارنة عادلة بين التصميمين. تكشف النتائج عن اختلافات كبيرة في خصائص التدفق, كفاءة الطاقة, ومخاطر الفشل المحتملة, تفضيل أنبوب الكوع ذي الحواف العادية باعتباره التصميم المتميز.

المنهجية

1. النمذجة والهندسة

• خلق الهندسة:
  • تم إنشاء تصميمين لأنابيب الكوع في سوليدووركس:
    • أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة: يتميز بانتقالات مفاجئة في الزوايا.
    • أنبوب الكوع ذو الحواف العادية: الميزات سلسة, التحولات مدورة.
  • تم تصدير النماذج ك ملفات IGS لمزيد من المعالجة.
• أبعاد:
  • قطر الأنبوب: 100 مم.
  • زاوية الكوع: 90°.
  • سمك الجدار: 5 مم.

2. جيل شبكي

• أداة الربط: المناورة تم استخدامه لإنشاء الشبكة الحسابية.
• نوع الشبكة:
  • شبكة منظمة مع عناصر رباعية للحصول على دقة أفضل.
  • شبكة أدق بالقرب من الجدران لالتقاط تأثيرات الطبقة الحدودية.
• جودة الشبكة:
  • تم تحسين نسبة العرض إلى الارتفاع والانحراف لضمان الاستقرار العددي.
  • العدد الإجمالي للعناصر: ~50.000 لكل موديل.

3. إعداد المحاكاة

• حلالا: أنسيس بطلاقة تم استخدامه لمحاكاة عقود الفروقات.
• ظروف التدفق:
  • سائل: ماء.
  • نوع التدفق: الحالة المستقرة, غير قابل للضغط.
  • سرعة الدخول: 2 آنسة.
  • مَنفَذ: مخرج الضغط (0 قياس الضغط باسكال).
  • حائط: حالة الحدود عدم الانزلاق.
• نموذج الاضطراب:
  • نموذج الاضطراب k-ε تم اختياره لقوته في محاكاة التدفقات المضطربة.
• معايير التقارب:
  • بقايا الاستمرارية, دَفعَة, وتم ضبط معادلات الاضطراب على 10^-6.

النتائج والمناقشة

نتائج تحليل العقود مقابل الفروقات معروضة أدناه, مقارنة أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة و أنبوب الكوع ذو الحواف العادية من ناحية الضغط الكلي, حجم السرعة, و الطاقة الحركية الاضطرابية. تم تلخيص النتائج في الجداول ومناقشتها بالتفصيل.

1. توزيع الضغط الكلي

الملاحظات:

• أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة:
  • بارِز مناطق الضغط المنخفض (يستيقظ) وقد لوحظت بالقرب من الحواف الحادة.
  • حدث فصل التدفق بسبب التغيرات المفاجئة في الهندسة, مما يؤدي إلى فقدان الطاقة.
  • مطلوب قوة ضخ أعلى للتغلب على هذه الخسائر.
• أنبوب الكوع ذو الحواف العادية:
  • توزيع سلس للضغط مع عدم وجود استيقاظ كبير.
  • ظل التدفق مرتبطًا بالجدران, تقليل استهلاك الطاقة.

تداعيات:

• يزيد التصميم ذو الحواف الحادة من تكاليف الطاقة ويقلل من كفاءة النظام.
• يعتبر التصميم ذو الحواف العادية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأقل عرضة للفشل الناتج عن التدفق.

2. حجم السرعة

الملاحظات:

• أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة:
  • وقد لوحظت اختلافات عالية السرعة, خاصة بالقرب من الحواف الحادة.
  • تسبب فصل التدفق في توزيع السرعة بشكل غير متساو, زيادة خطر الاهتزازات و ضوضاء.
  • أدت المناطق عالية السرعة إلى تركيز الإجهاد, مما قد يؤدي الشقوق متأخر , بعد فوات الوقت.
• أنبوب الكوع ذو الحواف العادية:
  • وكان توزيع السرعة أكثر اتساقا.
  • وقد لوحظت منطقة صغيرة عالية السرعة عند المدخل بسبب وجود مخالفات هندسية طفيفة, لكنها استقرت بسرعة.
  • أدى انخفاض اختلافات السرعة إلى تقليل تركيز الضغط والضوضاء.

تداعيات:

• يكون التصميم ذو الحواف الحادة أكثر عرضة للفشل الهيكلي وعدم الكفاءة التشغيلية.
• يضمن التصميم ذو الحواف العادية تدفقًا أكثر سلاسة ومتانة أفضل.

3. الطاقة الحركية الاضطرابية (TKE)

الملاحظات:

• أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة:
  • وقد لوحظت مستويات عالية من الاضطراب بالقرب من الحواف الحادة.
  • تسبب الاضطراب في أنماط تدفق غير متساوية, زيادة احتمال تآكل و ارتداء المواد.
• أنبوب الكوع ذو الحواف العادية:
  • وكانت مستويات الاضطراب أقل بكثير.
  • أدت التحولات السلسة إلى تقليل توليد الاضطرابات, تعزيز استقرار التدفق.

تداعيات:

• يعمل التصميم ذو الحواف الحادة على تسريع عملية التآكل, تقليل عمر الأنبوب.
• التصميم ذو الحواف العادية يقلل من الاضطراب, ضمان الموثوقية على المدى الطويل.

4. فصل التدفق والاستيقاظ

الملاحظات:

• أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة:
  • حدث فصل التدفق عند الحواف الحادة, خلق مناطق إعادة الدوران.
  • زادت هذه المناطق من فقدان الطاقة وتطلبت طاقة ضخ أعلى.
• أنبوب الكوع ذو الحواف العادية:
  • ظل التدفق مرتبطًا بالجدران في جميع أنحاء الكوع.
  • ولم يلاحظ أي مناطق إعادة تدوير هامة.

تداعيات:

• يؤدي التصميم ذو الحواف الحادة إلى إضعاف كفاءة التدفق وزيادة تكاليف التشغيل.
• يضمن التصميم ذو الحواف العادية التدفق السلس, تقليل استهلاك الطاقة.

مقارنة كفاءة الطاقة

يتطلب أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة المزيد من طاقة الضخ بسبب فقدان الطاقة العالي الناتج عن فصل التدفق والاضطراب. أنبوب الكوع ذو الحواف العادية, مع خصائص التدفق الأكثر سلاسة, أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

السلامة الهيكلية وآثار التصميم

1. تركيز الإجهاد

• تخلق التصميمات ذات الحواف الحادة مناطق عالية الضغط بسبب اختلافات السرعة والاضطراب, زيادة خطر الشقوق وفشل المواد.
• تصميمات ذات حواف عادية تقلل من تركيز الضغط, تعزيز المتانة.

2. الضوضاء والاهتزازات

• تولد التصميمات ذات الحواف الحادة أنماط تدفق غير متساوية, مما يؤدي إلى حدوث ضوضاء واهتزازات يمكن أن تؤثر على أداء النظام.
• تضمن التصميمات ذات الحواف العادية تشغيلًا أكثر هدوءًا وسلاسة.

خاتمة

ال تحليل العقود مقابل الفروقات يكشف تدفق المياه داخل أنابيب الكوع المسطحة أن أنبوب الكوع ذو الحواف العادية يتفوق على أنبوب الكوع ذو الحواف الحادة من حيث كفاءة التدفق, استهلاك الطاقة, والسلامة الهيكلية. وتشمل النتائج الرئيسية:

1. الضغط الكلي:
   • تعمل التصميمات ذات الحواف الحادة على إنشاء مناطق واستيقاظ ذات ضغط منخفض, زيادة فقدان الطاقة.
   • تحافظ التصميمات ذات الحواف العادية على توزيع الضغط بسلاسة.
2. حجم السرعة:
   • تُظهر التصميمات ذات الحواف الحادة اختلافات عالية في السرعة, مما يؤدي إلى تركيز التوتر والفشل المحتمل.
   • تضمن التصميمات ذات الحواف العادية توزيعًا موحدًا للسرعة.
3. الطاقة الحركية الاضطرابية:
   • تولد التصميمات ذات الحواف الحادة اضطرابًا عاليًا, تسريع التآكل.
   • تعمل التصميمات ذات الحواف العادية على تقليل الاضطراب, تعزيز الموثوقية.
4. كفاءة الطاقة:
   • تتطلب التصميمات ذات الحواف العادية قوة ضخ أقل, خفض التكاليف التشغيلية.
5. السلامة الهيكلية:
   • تصميمات ذات حواف عادية تقلل من تركيز الضغط, ضوضاء, والاهتزازات, ضمان عمر خدمة أطول.

التوصية النهائية:

للتطبيقات التي تنطوي على تدفق السائل, أنابيب الكوع ذات الحواف العادية هي الخيار الأفضل بسبب أدائها المحسن, كفاءة الطاقة, والمتانة. وينبغي تجنب التصاميم الحادة لتقليل أوجه القصور التشغيلية وتكاليف الصيانة.

العمل المستقبلي

1. 3د- المحاكاة:
   • قم بتوسيع التحليل ليشمل نماذج ثلاثية الأبعاد للحصول على تنبؤات أكثر دقة.
2. تدفق متعدد المراحل:
   • التحقيق في سلوك التدفقات السائلة الصلبة أو الغاز السائل.
3. تحليل المواد:
   • دراسة تأثير المواد المختلفة على التآكل والتآكل.
4. التحقق التجريبي:
   • إجراء التجارب الفيزيائية للتحقق من صحة نتائج عقود الفروقات.

من خلال معالجة هذه المجالات, ويمكن الحصول على مزيد من الأفكار لتحسين تصميمات أنابيب الكوع لمختلف التطبيقات الصناعية.

المشاركات ذات الصلة

متعددة الوظائف MS ERW أنبوب دائري أسود

المتفجرات من مخلفات الحرب الأنابيب السوداء. المقاومة الكهربائية ملحومة (فدان) يتم تصنيع الأنابيب من لفائف المدرفلة على الساخن / الشقوق. يتم التحقق من جميع الملفات الواردة بناءً على شهادة الاختبار الواردة من مصنع الصلب فيما يتعلق بخصائصها الكيميائية والميكانيكية. يتم تشكيل أنبوب ERW على البارد إلى شكل أسطواني, ليست ساخنة.

المتفجرات من مخلفات الحرب أنابيب الصلب المستديرة السوداء

يتم تصنيع الأنابيب غير الملحومة عن طريق بثق المعدن إلى الطول المطلوب; لذلك تحتوي أنابيب المتفجرات من مخلفات الحرب على وصلة ملحومة في مقطعها العرضي, في حين أن الأنابيب غير الملحومة لا تحتوي على أي وصلة في مقطعها العرضي طوال طولها. في الأنابيب غير الملحومة, لا يوجد بها أي لحام أو وصلات ويتم تصنيعها من قضبان مستديرة صلبة.

أبعاد وأوزان الأنابيب غير الملحومة حسب المعايير

ال 3 عناصر أبعاد الأنبوب معايير أبعاد الأنابيب الكربونية والفولاذ المقاوم للصدأ (أسم B36.10M & B36.19M) جدول حجم الأنابيب (جدول 40 & 80 يعني أنابيب الصلب) وسائل حجم الأنابيب الاسمية (مصادر القدرة النووية) والقطر الاسمي (الاسم المميز) مخطط أبعاد أنابيب الصلب (مخطط الحجم) جدول فئات وزن الأنابيب (WGT)

الأنابيب الفولاذية وعمليات التصنيع

يتم تصنيع الأنابيب غير الملحومة باستخدام عملية ثقب, حيث يتم تسخين قطعة من المعدن الصلب وثقبها لتكوين أنبوب مجوف. الأنابيب الملحومة, على الجانب الآخر, يتم تشكيلها من خلال ربط حافتين من الصفائح أو الملفات الفولاذية باستخدام تقنيات اللحام المختلفة.

قائمة UL لأنابيب الصلب

تتميز الأنابيب المصنوعة من الفولاذ الكربوني بمقاومة عالية للصدمات والاهتزازات مما يجعلها مثالية لنقل المياه, زيت & الغاز والسوائل الأخرى تحت الطرق. حجم الأبعاد: 1/8"إلى 48" / سمك DN6 إلى DN1200: ش 20, الأمراض المنقولة جنسيا, 40, XS, 80, 120, 160, نوع XXS: سطح الأنابيب الملحومة أو غير الملحومة: التمهيدي, زيت مضاد للصدأ, إف بي إي, 2بي, 3مادة LPE المغلفة: أستم A106B, A53, API 5L ب, X42, X46, X52, X56, X60, X65, خدمة اكس 70: قطع, الميلا, خيوط, الحز, طلاء, الجلفنة

معايير ASTM الدولية لأنابيب الصلب, الأنابيب والتجهيزات

تسرد مواصفات ASTM الدولية للأنابيب الفولاذية المتطلبات القياسية لأنابيب الغلايات والسخان الفائق, أنابيب الخدمة العامة, أنابيب الصلب في خدمة التكرير, مبادل حراري وأنابيب المكثف, الأنابيب الميكانيكية والهيكلية.